Лазер vs космический мусор: оригинальные проекты очистки околоземного космического пространства
Сегодня пятница, а значит, можно побеседовать на вечнозеленые темы. Одна из них — космический мусор, которого становится все больше.
Только спутников на орбите сейчас около 5 000. Из них 2 000 — функционирующие системы, а 3 000 — уже вышедшие из строя или просто оставленные создателями. Плюс ко всему, есть разного рода обломки, ступени ракет и множество прочих элементов. И их не просто много, а ОЧЕНЬ много. Чуть подробнее об этом и возможных способах избавления орбиты Земли от хлама — под катом.
Еще немного неприятных подробностей
Специалисты НАСА подсчитали, что на орбите сейчас свыше сотни миллионов разных объектов искусственного происхождения. Так, частиц размером меньше 1 см — свыше 100 млн, размером около 10 см — 21 тыс., объектов, сопоставимых с размером жемчужины (ну да, они могут быть разными, но усредним), — 500 000 тыс.
А теперь давайте вспомним про спутники Starlink, One Web и все прочие аппараты связи, которые либо уже выведены на орбиту, либо их собираются вывести. Проблема становится не просто актуальной, а жизненно важной. Если, конечно, человечество планирует все же начать путешествовать к другим планетам на регулярной основе, а не тонуть в бульоне из мусора.
Кстати, большинство частиц и объектов движутся по предсказуемым траекториям. Но иногда случаются неожиданности. В 2007 году Китай решил поиграть мускулами и взорвал ракетой собственный метеорологический спутник Fengyun-1C. Все бы ничего — твоя собственность, взрываешь и взрывай себе. Но проблема в том, что при взрыве спутник развалился на целую тучу разного обломков, крупных и мелких. Они начали сталкиваться друг с другом и другими объектами, спровоцировав цепную реакцию образования космического мусора.
Если вспомнить еще об Iridium-33 и «Космосе-2251», то проблема становится еще более серьезной.
«Представьте себе, что все морские корабли, потерянные за прошедшие века, дрейфовали бы на поверхности океанов. Это именно то, что сейчас происходит на орбите, и эта ситуация больше не может продолжаться. Поэтому все страны-члены ЕКА активно поддержали эту миссию», — заявил глава ЕКА Йохан-Дитрих Вернер.
В итоге ситуация может стать настолько серьезной, что запуск ракет и спутников станет чем-то вроде игры в лотерею. Запуск ракеты и так очень сложная задача, а из-за космического мусора ситуация еще больше осложняется.
Уже сейчас современные космические аппараты используют для защиты от столкновений с мелкими объектами так называемые щиты Уиппла, состоящие из нескольких тонких слоев, расположенных на расстоянии друг от друга. При ударе самый внешний слой разбивает снаряд, тем самым распределяя его кинетическую энергию на большую площадь при прохождении через него. Чтобы избежать столкновения с более крупными объектами, космическим кораблям иногда приходится выполнять маневры уклонения.
МКС выполняет маневры уклонения в том случае, если вероятность столкновения с космическим мусором превышает 1/10,000. Это происходит в среднем раз в год. Исключение — 2012 год, тогда пришлось выполнить сразу четыре маневра.
В общем, выход только один: нужно избавляться от всего этого «наследия».
Всех посчитают. Как ученые следят за мусором?
Для того, чтобы хоть как-то обезопаситься от космических обломков, разработчики космических программ должны знать, где какой объект находится в конкретный момент времени. US Space Surveillance Network (SSN) — наиболее полный каталог космического мусора. В нем сейчас содержится информация о местонахождении примерно 22 000 элементах космического мусора с размером от 10 см и выше.
На определенной высоте крупные объекты могут быть обнаружены наземными радиолокаторами и оптическими телескопами. Последние измеряют свет, отраженный обломками, вычисляя затем расстояние при помощи лазерного дальномера. Метод этот основан на измерении времени прохождения лазерного импульса от Земли и момента его отражения объектом. Но так можно поступить, если объекты крупные.
Мелкий космический мусор значительно сложнее обнаружить и затем отслеживать. Правда, методы обнаружения постепенно совершенствуются. Еще недавно использовать метод можно было лишь в сумерках, когда станция лазерной локации на Земле находится в темноте, а вот обломки еще освещены Солнцем. Благодаря технологическому прогрессу, включая методы получения изображений, австрийским ученым недавно удалось использовать лазер для определения местоположения мусора и днем. Соответственно, временное окно расширилось вдвое. Лазерные системы — весьма эффективный метод отслеживания.
Насколько опасен космический мусор? Это показывает установка Long Duration Exposure Facility (LDEF) от НАСА, которая несколько лет находилась в космосе. С ее помощью агентство проводило эксперименты по изучению долгосрочного воздействия космической среды на разные материалы, электронику и биологические образцы.
Вот так выглядит панель с LDEF. Пятнышки представляют собой отверстия и вмятины, проделанные космическим мусором. Даже мелкие частицы опасны, не говоря уже о крупных обломках.
Околоземное пространство очищается само по себе — рано или поздно любой космический мусор падает на Землю. Но для этого требуется очень много времени. Так, объекты, которые находятся на орбитах высотой около 800 км, будут снижаться несколько десятков лет. Объекты с более высоких орбит и вовсе будут находиться там сто лет и больше.
Человечество мусорит быстрее, чем Земля, вернее, ее орбита, очищается. И сам по себе этот процесс не остановится, если, конечно, космическая эра внезапно не закончится. Процесс образования и «размножения» космического мусора получил название «синдром Кесслера».
Ну окей, а как это все убрать?
Все убрать вряд ли получится, но хотя бы частично очистить орбиту можно. Сейчас разрабатывается целый ряд проектов, реалистичность которых варьируется от «скоро введут в строй» до «это фантастика».
В 2025 году ЕКА запустит зонд ClearSpace-1. Он предназначен для очистки орбиты от крупных объектов. Первой целью зонда станет отработанная ступень ракеты Vega. Это хороший объект для старта, поскольку он крупный и движется по предсказуемой траектории. Ступень находится на высоте 660–800 километров и весит около 100 килограммов. Еще один положительный момент — форма ступени. Она очень удобна для захвата зондом, который имеет четыре манипулятора. ClearSpace-1 выведут на высоту примерно в 500 километров. После захвата зонд включит двигатели и опустится в нижние слои атмосферы.
RemoveDEBRIS — еще один охотник за крупной добычей на орбите. Разработчики потратили 6 лет на испытания в специальных вышках и в термовакуумных камерах. Помимо сети, спутник RemoveDEBRIS оснащен гарпуном, который может пробивать корпус космических объектов. Несколько лет назад прототип испытали в космосе, доставив спутник на МКС.
Самые интересные проекты — те, где предлагается задействовать мощный лазер. Причем установки могут быть такими же, как те, что уже используются для обнаружения и отслеживания мусора на орбите. Нужно просто увеличить мощность излучателя и вместо оценки отражения испарять обломки. С крупными спутниками такой номер не пройдет, а вот мелочь от 1 до 10 см вполне можно уничтожать. Лазер может быть наземным или же космическим — в последнем случае на орбиту придется запускать отдельный спутник.
Кроме спутников, принимаются и другие меры — например, разрабатываются методы снижения количества посторонних объектов в космосе при выводе ракеты. В США борьбу с космическим мусором сделали даже вопросом национальной важности. Правительство разработало документ, который получил название Space Policy Directive-3. В нем указывается необходимость модернизировать текущую систему мониторинга космического мусора, а также разрабатывать методы борьбы с ним.
